橡胶沥青碎石封层的应用

橡胶沥青碎石封层的应用技术热[作者：杨芸波，宋世海|转贴自：本站原创|点击数：251|更新时间：2009-7-1|文章录入：imste2008年第20期](1.陕西省公路勘察设计院，陕西西安710068；2.内蒙古交通设计研究院有限责任公司，内蒙古呼和浩特010010)摘要：结合国内外应用的研究成果，对橡胶沥青碎石封层以其优良的使用性能而广泛用于道路表面性能恢复、应力吸收层、路面及桥面防水等工程的技术进行了介绍。关键词：橡胶沥青；碎石封层；应力吸收层；应力吸收中间层中图分类号：U416.218文献标识码：A文章编号：1007—6921(2008)20—0121—03碎石封层是一种在喷洒沥青类结合料后，立即撒铺一定粒径的粗集料，经碾压而形成的薄层封层。撒铺的碎石即提供对沥青的保护，也给行驶车辆提供必要的粗糙度，以保证安全行驶。碎石封层的主要作用是封闭表面细小裂缝，阻止水侵入路面，损坏基层与路基。该技术产生于上个世纪20年代，起初主要作为小交通量道路的表面层，目前已被广泛用于各种交通量道路的预防性养护。橡胶沥青碎石封层于上个世纪60年代中期开始使用，也被称为应力吸收层（SAM）和应力吸收中间层（SAMI）。其重要组成部分橡胶沥青起源于上个世纪60年代的美国，工程师CharlesMcDonald最先使用这种工艺。美国ASTM（97）中定义橡胶沥青为：由沥青、回收轮胎橡胶及一定的添加剂组成的混合料，其中胶粉的含量不少于总重的15%，且要求橡胶颗粒在热沥青中充分反应并膨胀。由此看出，橡胶沥青的胶粉掺量要达到一定的量，且要有一定的反应时间，并达到相应的技术标准。1国外使用性能评价与其他碎石封层相比，橡胶沥青碎石封层具有：防水性能好、抗反射裂缝能力强、耐久性好等优点。以上这些特性是通过以下三个方面来实现：1.1橡胶沥青有着优良粘弹性性能图1为普通沥青与橡胶沥青的荷载～变形曲线，曲线下的面积代表了破坏前蓄积的能量，由对比可以看出：橡胶沥青破坏前蓄积的能量大于普通沥青30%～50%。1.2橡胶沥青封层洒布量高于其他封层由于橡胶沥青温度敏感性降低，其洒布量并不是一个关键的指标，从最佳性能出发，橡胶沥青封层洒布量高于其他封层，以公称12.5mm的碎石封层为例，当采用乳化沥青时，洒布量为1.4～1.8kg/m2，采用聚合物改性沥青(SBS、SBR、EVA等)时，洒布量为1.6～2.0kg/m2，而橡胶沥青的洒布量为2.0～3.0kg/m2。1.3橡胶沥青突出的抗老化性能橡胶粉作为轮胎的产品，包含一些添加剂，这些添加剂使得橡胶沥青比普通沥青及其他改性沥青有着突出的抗老化性能，并保持长期的粘弹性性能，进而进一步提高耐久性及减少维修。南非的路面结构广泛采用非稳定粒料基层的薄面层形式，该种路面结构更敏感于水破坏，因此路面结构的防水极为重要。橡胶沥青碎石封层因其有着优良的防水与延缓反射裂缝作用，而广泛用于路面结构表面及路面结构层中。南非的应用表明：橡胶沥青碎石封层较普通沥青及聚合物改性沥青碎石封层均表现好，也更经济，更适于重交通。在南非，传统的碎石封层寿命为5～8年，而橡胶沥青碎石封层为15～20年。南非最早的橡胶沥青碎石封层建于1986年，目前仍使用状况良好。美国亚利桑那州的应用表明：橡胶沥青碎石封层作为应力吸收层，可以延缓反射裂缝达15年以上。美国的Oregon，Beecroft等人对KlamathandLakeCounties的三个橡胶沥青碎石封层工程和三个桥面工程进行3年后的跟踪观测，对比结果表明：橡胶沥青碎石封层表现极佳的使用效果。美国的MaghsoudTahmoressi等评价18个橡胶沥青碎石封层路段及对比路段（聚合物改性沥青、改性乳化沥青及普通沥青碎石封层），这些工程有低交通量的农村道路、城市道路及重交通的洲际公路。基于这个研究得到以下结论：橡胶沥青封层有着优秀的抗反射裂缝能力；由于橡胶沥青的高弹性性能及高洒布剂量，橡胶沥青碎石封层有极佳的碎石粘结力。美国加利福尼亚州与南非的研究还表明，橡胶沥青碎石封层用于老路改建工程时，对减少路面的反射裂缝，提高路面的整体承载能力都十分有利，在相同的使用效果前提下，适当使用橡胶沥青碎石封层可减薄沥青混凝土面层的厚度。表1、2为美国加利福尼亚州橡胶粉沥青混凝土技术指南中分别从承载能力和减少反射裂缝角度，提出的橡胶粉沥青混凝土与一般沥青混凝土厚度的对比表。从表中数据可以看出，无论是按承载能力标准还是减少反射裂缝标准，使用橡胶沥青碎石封层可以减薄路面厚度15～30mm。注：DGAC为连续级配密实型沥青混凝土；ARHM-GG为断级配橡胶粉沥青混合料。2设计方法与材料要求2.1设计方法碎石封层的设计方法分为经验法与理论法两大类，最早的碎石封层设计方法是Hanson于1934年提出的，目前许多的碎石封层设计方法都是基于该法发展而来。目前，多数的碎石封层设计方法是基于实践的经验法，而非理论法。他们都包括：路况调查、结合料的选择与用量，碎石粒径及撒铺量的确定等一系列过程。其沥青的洒布量与碎石的撒铺率受以下因素影响：2.1.1路面的表面状况，老化程度严重或构造深度较大时会吸收更多沥青，应较大沥青洒布量。2．1.2交通量，在交通量大的道路为减少由于松动碎石带来的危险，宜采用粒径较小碎石，对于交通量小的道路，沥青洒布量可以适当增加。2.1.3气候环境，在寒冷地区，可以采用较高沥青洒布量。2.1.4碎石粒径，采用大的粒径碎石，应相应增加沥青洒布量，以保证碾压后碎石嵌入沥青深度达50%～70%。2.1.5碎石级配，单一粒径碎石比有级配碎石要求的沥青洒布量要大。如澳大利亚橡胶沥青碎石设计方法中，根据使用场合的不同规定了相应的结合料洒布量与碎石粒径。表中数据表明：随撒铺碎石粒径增加，沥青洒布剂量增加；针对不同的下层粗糙度，沥青洒布量不同，粗糙时剂量大。另外，澳大利亚还规定，使用10mm、14mm、16mm三种粒径碎石应进行沥青预拌，而用于桥面防水上的小粒径碎石则不需要。由于我国目前道路交通重载、超载的现实情况，为避免日后的泛油，橡胶沥青碎石封层的结合料的洒布量不宜太大，而碎石的粒径、撒铺量则不宜太小。近年来，国内几个工程的橡胶洒布量在2.0～2.8kg/m2之间。2.2材料要求2.2.1对橡胶沥青的要求〔7〕。橡胶沥青由基质沥青、胶粉及添加剂组成。各部分材料的品质与比例，严重影响着橡胶沥青的品质。橡胶沥青的选择受老路表面状况、碎石尺寸与级配、与石料的相容性及气候条件影响。绝大多数国家对洒布用与混合料用橡胶沥青的指标要求不加区分，个别国家仅是在两者的配方上给出不同的要求。如：南非对于混合料用橡胶沥青，其基质沥青为B12、B8（针入度分别为60/70、80/100）两种，用于洒布时，采用80/100，150/200两种针入度级沥青。而澳大利亚，对于洒布采用C170，用于热拌混合料采用C170、C230。这两个国家的共同点是：用于洒布时的基质沥青相对于混合料的偏软。同时，澳大利亚还将胶粉分为洒布用橡胶粉与混合料用橡胶粉两种，与后者相比前者要粗。根据国外情况，洒布用与混合料用橡胶沥青有以下差别：①洒布用橡胶沥青使用较粗橡胶粉(2.0mm)；②为进一步提高结合料的粘性和粘弹性，洒布用橡胶沥青可使用较高的橡胶粉掺量（＞20%）。因此，我国加工橡胶沥青的基质沥青宜采用90#沥青或70#沥青，橡胶粉的目数宜为30～40目，掺量一般为20%～25%（外掺）。2.2.2对碎石的要求：主要有碎石的粒径、洁净度及粒形等。碎石粒径的选择主要考虑交通量与设计速度。美国对于低交通量（＜5000辆/天）与低速（＜75km/h）道路上，采用9.5mm与12.5mm碎石；在大交通量与高速交通道路上，通常采用公称粒径9.5mm碎石；另外，9.5mm也经常用于应力吸收中间层SAMI（见表4）。南非的橡胶沥青碎石封层设计方法的理论基础是Hanson的空隙填充理论。单层封层所用碎石粒径有26.5mm、19.0mm、13.2mm、9.5mm四种；双层封层的碎石粒径为19.0mm加9.5mm，（见表5）。对小于9.5mm的碎石，由于空隙较小、结合料的洒布量高，易导致泛油而很少采用。国外的橡胶沥青碎石封层所用的碎石以单一粒径碎石为主，同时控制其中的小碎石与粉料含量。对于我国，当应用于基层时，石料的粒径宜为16～19mm，当用于上面层底面时，石料粒径宜为上面层厚度的1/3～1/2，碎石的撒布量一般为满铺的60%～70%；当用于表面时，碎石粒径宜为13.2mm或9.5，碎石的撒布量为满铺。3施工工艺橡胶沥青碎石封层不论是用于应力吸收层，还是用于防水粘结层，其在路面中的功能作用是一样或类似的。它基本施工流程分为三步：橡胶沥青的洒布、规格石料的撒布以及胶轮碾压成型。碎石封层施工的关键是：设备、原材料的准备，沥青洒布与碎石撒铺，搭接的处理，底面的处理等。下面结合工程经验，总结出橡胶沥青防水粘结层的施工工艺要求如下：3.1原材料的准备，包括橡胶沥青和碎石的准备为了保证橡胶沥青品质的稳定，一般当天加工，当天洒布，橡胶沥青从加工到洒布不宜超过24h。石料应干燥、清洁，必要时可经过拌和机筛分、除尘、加热。当施工温度低于20℃时，碎石应该预热。为消除碎石的灰尘，也可采用预拌碎石，其温度控制在121～162℃。3.2施工机械的准备应具备可加热、保温、搅拌的沥青洒布车，洒布剂量通过计算机控制，确保洒铺的均匀性。碎石撒布应采用专用的碎石撒布车，当大规模施工时，一台沥青洒布车应配备两台碎石撒布车。同时应配备1～2台重型的胶轮压路机，并要求压路机每个轮至少2t。3.3施工现场的准备在橡胶沥青碎石封层施工前，应对下承层进行严格认真的清扫，达到干净、干燥、无浮沉、无松动的要求。图2中试洒工艺相当于一般沥青路面施工的试验路段。通过试洒确定一些关键的施工参数，为正式施工做好必要的准备。如：每平米碎石撒布的方量或公斤数，施工机械的有效组合、橡胶沥青的洒布温度，洒布设备的机械参数等。3.4施工中应注意的问题为了保证橡胶沥青碎石封层的施工质量，除严格按照以上要求进行施工外，还应注意以下问题：3.4.1在整个施工过程中，时刻监控橡胶沥青的粘度变化，保证橡胶沥青的质量稳定。3.4.2橡胶沥青洒布时，应控制适宜的洒布宽度，一般不超过4m。并注意接缝位置的控制，避免重叠更多而造成泛油，一般纵向搭接宽度不大于10cm。3.4.3橡胶沥青的洒布温度一般为180℃，由于粘度提高，根据工程情况，其洒布温度可适当提高。3.4.4撒布的碎石应均匀，不能重叠或漏撒，必要时需要人工进行整理。3.4.5沥青洒铺后，为了保证碎石与沥青的有效粘结，应及时撒布碎石。3.4.6胶轮压路机碾压2～3遍，但也不宜过多。3.4.7施工结束后应尽快安排沥青混凝土的施工，一般不宜超过24h，其间应注意保护该层，可采用临时封闭交通的措施，避免二次污染或破坏。4国内的发展历程80年代末，碎石封层作为应力吸收层的应用技术引入我国，先后在广东惠州试验路（1986），正定试验路（1988）使用。其中，广惠试验路使用了橡胶沥青，所掺加胶粉为16～30目，掺量为25%（内掺），洒布量为3.5kg/m2；而正定试验路采用SBS改性沥青，用量为2.4kg/m2，其上洒布的10～20mm碎石，覆盖60%。早期的碎石封层（包括重交沥青、SBS改性沥青）一般多用于半刚性基层顶面，由于沥青洒布设备没有加热系统，且洒布精度不够，当洒布量过大时，常通过多撒铺碎石来弥补，影响了其使用性能。因此，该技术没有得到大规模推广应用。90年代末，随着我国对进口设备的引进及生产设备的国产化，SBS改性沥青碎石封层得到了广泛的应用。如广东京珠逸仙大道水泥混凝土路面沥青加铺工程（1999）、京沪高速公路沧州段（2000）、马房大桥钢桥面铺装及商开高速公路（2001）、广深高速公路罩面工程（2002）等。进入21世纪以后，随着国内对橡胶沥青加工、洒布设备的引进，河北、北京、广东等省铺筑了橡胶沥青碎石封层的试验路与实体工程。与此同时，国内也针对橡胶沥青洒布的堵孔、易离析、洒布粘度高等问题，研发出国产的橡胶沥